據悉，本文綜述了這些基於(yu) 激光的柔性電子產(chan) 品生產(chan) 技術的最新進展，重點介紹了激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉移打印技術的關(guan) 鍵進展。本文為(wei) 第五部分。

5激光輔助轉移打印

轉移打印是一種先進的確定性組裝技術，通過實現材料/結構/設備與(yu) 精確定義(yi) 的體(ti) 係結構的異構集成，提供了實現與(yu) 傳(chuan) 統晶圓器件性能相同的柔性電子器件的機會(hui) 。基於(yu) 運動控製粘彈性印章的傳(chuan) 統轉印技術提供了最通用和方便的解決(jue) 方案。然而，基於(yu) 彈性體(ti) 的速率依賴性附著力可調性的這些技術的過程可控性相當有限。許多主要受仿生學啟發的先進轉印技術已經被開發出來，以顯著提高粘附性的可調性，例如使用角度微重疊印章的壁虎啟發轉印、使用充氣印章的蚜蟲啟發轉印、或使用表麵浮雕結構。然而，這些轉移打印技術的可切換性仍然不足以實現非接觸釋放（打印）過程。

通過轉移印刷在印模中實現彈性體(ti) 、微尖端粘合表麵，用於(yu) 確定性組裝。

此外，界麵粘附的可調性依賴於(yu) 外部物理刺激，如剝離速度、橫向運動、收縮角、壓縮屈曲、加熱和充氣。這些類型的刺激很難在高空間分辨率下定位，也很難在瞬間做出反應。因此，在大規模陣列中對特定器件進行選擇性/並行轉移打印以實現極高的組裝速率變得非常困難。此外，這些技術向納米/大規模的可擴展性是另一個(ge) 棘手的挑戰。許多有意義(yi) 的嚐試是使用激光作為(wei) 外部刺激來控製界麵粘附。激光輔助轉移印花技術可實現無限粘附切換，從(cong) 而實現非接觸轉移印花工藝。該功能允許將單個(ge) 設備轉移打印到任何彎曲/結構化表麵上，以實現3D組裝。激光束產(chan) 生的瞬態外部刺激具有局部性、非接觸性、高度可控性和高空間分辨率。因此，激光輔助轉移打印可以具有高選擇性、多功能、無延遲、可擴展性，並且能夠追求極高的組裝率。本節回顧了三種激光輔助轉移印花技術。在製造柔性電子產(chan) 品方麵，每種技術都有其獨特的優(you) 勢和特點。

5.1激光輔助模具轉移工藝

一種潛在的破壞性技術，能夠以極高的組裝速率將微型器件大規模並行轉移到目標基板上，即質量轉移，是µ-LED消費應用的關(guan) 鍵製造挑戰。µLED顯示屏因其優(you) 異的光學性能、低功耗、低延遲、長使用壽命以及在惡劣環境條件下的高穩定性而被認為(wei) 是下一代顯示技術。阻礙µ-LED顯示器工業(ye) 化的主要原因是缺乏可行的技術來放置和互連大量的µ-LED。傳(chuan) 統的方法是通過傳(chuan) 統的拾取和放置技術逐個(ge) 傳(chuan) 輸µ-LED，這種方法對於(yu) 大量組裝的µ-LED不實用。微轉移打印（µTP）技術是一種並行組裝方法，允許在一次拾取和打印操作中傳(chuan) 輸數千個(ge) 離散設備。已經演示了使用彈性模壓圖章選擇性拾取一批µLED，並將其轉移到機械柔性基板上。然而，µTP技術對印章和施主基板的製造有很高的要求。由於(yu) 印章的製造誤差以及印章材料、施主基板和目標基板之間的物理性能差異（主要是熱膨脹失配係數），導致轉移不一致，因此使用更大的印章獲得更高的轉移速率變得越來越困難。

基於(yu) LIFT的微轉移工藝可以解決(jue) 上述問題，以實現柔性電子製造中具有微小特征尺寸的結構或器件的大容量放置。通過提升過程，該區域內(nei) 尺寸從(cong) 0.1平方毫米到6平方毫米以上的各種電子元件得以轉移。激光燒蝕犧牲聚合物層產(chan) 生的氣體(ti) 產(chan) 物的瞬時高壓將轉移的組分提升到相鄰的接收基板上。

微尖端設計中具有代表性的彈性印章的SEM和FEM圖像，其表麵有或沒有矽片（3μm厚；100×100μm）。（A–C）Four-tipped布局。右框提供了其中一個(ge) 微針尖的放大視圖，下框提供了有限元建模結果的相應圖像（B，C）。（D）圖章尺寸標注示意圖。（E，F）Five-tipped布局。在這種設計中，矽板在轉印過程的最後階段僅(jin) 與(yu) 最大的中央微尖端保持接觸。

開發了一種新型的激光輔助模具轉移技術，稱為(wei) 熱機械選擇性激光輔助模具轉移工藝（tmSLADT）。該技術首先將轉移的組件粘合到透明載體(ti) 上，該載體(ti) 表麵沉積有動態釋放層（DRL）。在激光照射期間，隻有一小部分DRL通過透明載體(ti) 被紫外線激光燒蝕以產(chan) 生氣體(ti) 。與(yu) 直接使用燒蝕材料的衝(chong) 擊能量不同，生成的氣體(ti) 產(chan) 物可用於(yu) 形成膨脹的泡罩，該泡罩用作軟噴射針，以將轉移組件更輕柔地推向接收基板，如圖16a所示。所創建的泡罩可以以高精度（1.8µm的放置誤差）實現組件的瞬時釋放（轉移過程需要<50µs）。通過高速掃描激光束，這一過程可以實現非常高的組裝速度，最高可達每小時數十萬(wan) 個(ge) 單元。

圖16b是選擇性地將µ-LED傳(chuan) 輸至麵板的MPLET概念示意圖。圖16c、d顯示了一個(ge) 單光束激光傳(chuan) 輸過程的成功演示，該過程將55×32×6µmµ-LED放置在帶有焊接焊盤的接收基板上。圖16e是從(cong) 42µm×42µm×6µm假人模具的5×5陣列並行傳(chuan) 輸的高速視頻中提取的幀圖像。通過增加小束數和改善光斑質量，可以進一步提高MPET的性能，而光斑質量僅(jin) 受激光器和相關(guan) 光學元件的輸出功率的限製。這種激光輔助模具轉移技術可能成為(wei) 一種真正具有顛覆性的技術，適用於(yu) 需要高精度放置大量具有極高組裝率的微器件的應用。

圖16 a）演示tmSLADT原理的示意圖。b）說明MPLET概念的示意圖。c）通過使用PLET將55µm×32×6µmµLED焊接在測試基板上的照片。d）焊接前通過使用PLET將55µm×32µm×6µmµ-LED放置在測試基板的焊盤上的照片。e）來自一個(ge) MPLET視頻幀的幀圖像，顯示在激光傳(chuan) 輸之前，一個(ge) 由42µm×42µm×6µm假人模具組成的5×5陣列的並行傳(chuan) 輸。

5.2激光驅動微轉移放置工藝

使用上述提升型轉移工藝的一個(ge) 主要限製是將微結構從(cong) 原始生長/製造基板轉移到提升施主基板的必要步驟。一種新型的激光輔助轉移工藝稱為(wei) 激光驅動微轉移放置工藝（LMTP），它結合了傳(chuan) 統轉移打印工藝的準確性和多功能性，可直接和選擇性地從(cong) 其生長/製造基板上拾取微結構，以及提升工藝在無限粘附切換能力方麵的優(you) 勢，以實現非接觸釋放/打印過程。圖17a顯示了激光驅動的微轉移放置過程。該過程從(cong) PDMS材料製成的圖案化彈性體(ti) 轉移工具開始，以從(cong) 生長/製造基板上拾取芯片（要轉移的微結構）。如圖17b所示，激光束聚焦在有圖案的PDMS印章和油墨（芯片）的界麵上。在圖章上方設置一個(ge) 帶有合適光學元件的CCD攝像機，用於(yu) 過程觀察。拾取芯片後，工作台移動並將芯片定位在接收器基板正上方約10µm的距離處。然後，激光輸出功率逐漸增加，直到釋放芯片。

圖17 a） LMTP步驟示意圖。b） LMTP係統的示意圖。c） LMTP構造的微結構示例；3D金字塔結構，由矽管構成。d）在曲麵（單個(ge) 1毫米陶瓷球體(ti) ）上打印微觀結構的示例。局部和凹入表麵的打印微觀結構示例：e）打印在凸台上，f）打印在凹入空間中。

在激光脈衝(chong) 的幫助下，轉移的微觀結構和轉移工具的熱機械響應中的不匹配驅動分層。高速攝影、熱力模型和有限元方法的證據證實了這一機製。激光通過PDMS印章傳(chuan) 輸，並照射在芯片上，芯片因入射激光的高吸收而被加熱。然後，加熱的芯片將熱量傳(chuan) 導至相對較冷的PDMS印章，以提高接口附近PDMS的溫度。溫度升高導致PDM和芯片中的熱膨脹。理論模型和模擬可以作為(wei) 確定激光脈衝(chong) 持續時間和隔離距離等關(guan) 鍵工藝參數、估計溫度變化和計算關(guan) 鍵界麵應力的有力工具。

為(wei) 了證明LMTP工藝與(yu) 接收器表麵特性相對獨立，進行了大量可行性試驗。因此，它可以將微觀結構轉移到附著力低、結構規整且不平坦的表麵上。證明這種能力的例子包括精確打印超薄微結構和構建3D組件。如圖17c所示，三層金字塔由相同的100µm×100µm×3µm矽方形構成。圖17d顯示了一個(ge) 320納米厚的矽芯片打印在曲麵上。如圖17e、f所示，同一個(ge) 方形矽芯片被打印在凸台和凹入空間上。這些演示展示了無論接收器表麵特性如何，精確放置微結構的強大能力。

LMTP工藝中一個(ge) 可預見的挑戰是對芯片（油墨）材料的限製。通過增加激光功率來提高界麵溫度是一把雙刃劍，因為(wei) 高溫（350–600°C）可能會(hui) 增加應變能釋放速率，同時可能對微觀結構造成損壞。除此之外，對激光輻射具有高反射率的油墨材料阻止了它們(men) 在LMTP工藝中的使用，該工藝依賴於(yu) 油墨的強激光吸收。

5.3用於(yu) 轉印的激光驅動形狀記憶效應

發明了與(yu) LMTP工藝根本不同的最新技術，以擴大油墨材料的可用選擇。通過減少所需的激光功率輸入，還可以操作熱敏材料和反射材料。這些方法使用形狀記憶聚合物（SMP）作為(wei) 壓印材料，之前在轉移印花工藝中經常使用這種材料，因為(wei) 它具有一些吸引人的特性，如適中且可變的玻璃化轉變溫度、優(you) 異的形狀恢複性和光學透明性。SMP印章製作成改進的金字塔/錐形微結構。微圖形的變形將導致更大的表麵接觸（粘著打開狀態），並在恢複後恢複到最小接觸（粘著關(guan) 閉狀態）。典型的選擇性釋放周期如圖18a所示。

圖18 a）激光驅動的CBSMP打印過程的操作。b） CBSMP複合印章示意圖。c） CBSMP印章的掃描電鏡圖像。d） 3µm厚的矽油墨附著在印章上的SEM圖像。e）使用5×5陣列的CBSMP圖章，使用多個(ge) 並行打印步驟將鍍金矽油墨打印到PDMS基板上的“MECHSE”圖案中。f）矽和砷化镓的界麵和生長襯底的比較，以及預期的混合打印布局。

首先，通過將印章壓到目標油墨上，將其加熱並變形至粘附狀態，然後通過冷卻固定其形狀。因此，可以實現拾取（圖18a-I）。將油墨放置在接收基板上方（圖18a II）後，激光脈衝(chong) 會(hui) 準確地照射到目標油墨附著的印章位置（圖18a III）。激光加熱SMP，使其形狀恢複到原來的粘著關(guan) 閉狀態。通過啟動每個(ge) 目標油墨的形狀恢複並與(yu) 接收基板接觸，油墨可以打印出所需的圖案（圖18a IV）。圖18a中的插圖展示了具有不同油墨-印模界麵接觸麵積的印模的典型粘合開啟和粘合關(guan) 閉狀態。普通微圖案SMP印章的使用仍然依賴於(yu) 激光吸收油墨材料。一種改進的方法是使用複合炭黑SMP（CBSMP）。如圖18b所示，炭黑顆粒嵌入SMP壓印接觸麵內(nei) ，以吸收入射的近紅外激光。CBSMP印章的SEM圖像如圖18c、d所示。通過將激光吸收顆粒嵌入SMP基質中，可以實現快速和局部的熱傳(chuan) 遞。該方法不依賴於(yu) 激光吸收油墨材料，這可以極大地擴展可用的油墨材料，並節省計算不同油墨材料和幾何形狀所需激光功率的複雜步驟。

如圖18e所示，代表導熱、非吸收性油墨典型示例的鍍金矽芯片選擇性地打印在低表麵附著力表麵上。這些材料不能用於(yu) LMTP方法。此外，該技術還可以進一步實現不同襯底上Si和GaAs的混合打印（圖18f）。由於(yu) 不同的沉積方法、界麵層和生長襯底，以及它們(men) 固有的脆弱性，界麵附著力的顯著差異，使得混合打印尤其具有挑戰性。

6結論和展望

在過去十年中，由於(yu) 廣泛的新興(xing) 和預期應用，從(cong) 大尺寸透明柔性OLED顯示屏到用於(yu) 健康監測和人機界麵的生物集成可穿戴電子產(chan) 品，柔性電子產(chan) 品的發展速度大大加快。這些應用為(wei) 開發新的製造概念和工藝提供了強大的動力，這些概念和工藝可以高效、低成本地實施，使其不僅(jin) 適用於(yu) 基礎科學研究和工程原型設計，而且適用於(yu) 工業(ye) 化生產(chan) 。由於(yu) 這一設想，柔性電子製造技術的發展通常集中在實現以下目標上：1）滿足工業(ye) 規範，防止材料性能不足和與(yu) 傳(chuan) 統MEMS/CMOS工藝不兼容，並解決(jue) 包括高溫處理、納米級製造，以及在塑料/柔性基板上與(yu) 大量功能組件的異構集成；2）拓寬可直接在柔性基板上沉積和圖案化的材料範圍，並允許在容量、可實現的製造分辨率、基板幾何結構和材料、吞吐量、工藝溫度和性能方麵利用要求苛刻的材料，這是由於(yu) 與(yu) 傳(chuan) 統圖案化和沉積協議不兼容而無法實現的；3）用數字/並行工藝取代傳(chuan) 統製造方法（如光刻和真空沉積）中複雜、昂貴和耗時的多個(ge) 步驟，以極大地提高吞吐量、成本效率和設計靈活性。

最近，一種基於(yu) 激光的特殊技術已經建立起來，並朝著上述目標發展，這種技術在製造柔性電子器件方麵具有令人印象深刻的能力。所有這些技術都是基於(yu) 激光穿過透明基底並照射到界麵層所觸發的獨特界麵現象。本文綜述了基於(yu) 激光的柔性電子技術的最新研究進展。總結了正確利用激光與(yu) 材料相互作用達到預期目的的必要注意事項。從(cong) 基本原理到相關(guan) 的最新應用，介紹了三種按用途分類的技術，即激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉移打印。盡管最近取得了快速進展，但在這些基於(yu) 激光的技術成為(wei) 柔性電子產(chan) 品工業(ye) 化製造的可靠候選製造技術之前，仍有進一步發展的需求。

在達到激光輔助打印技術的極限之前，肯定還有改進和創新的空間。首先，打印材料的功能特性退化，產(chan) 生多餘(yu) 的碎片，並汙染周圍地區，仍然無法完全避免。通過新型的激光-物質相互作用和操作模式的進一步優(you) 化，將所需的激光能量降到最低，將減少其中的許多缺點。其次，這些技術仍然有相對較大的材料消耗，因為(wei) 隻有一部分材料從(cong) 供體(ti) 基質轉移。因此，該工藝還需要後處理清潔步驟，以去除打印工藝後透明施主基板的殘留物。此外，工藝的可靠性在很大程度上取決(jue) 於(yu) 在透明襯底上製備的施主材料薄膜的質量。一種允許按需提供激光輔助打印油墨的新方法是一個(ge) 令人興(xing) 奮的機會(hui) 。最後，通過使用先進的光學器件（如空間光調製器）來實現激光脈衝(chong) 光束輪廓的動態控製，我們(men) 將看到更多的激光輔助打印技術從(cong) 簡單的像素串行沉積發展到完全並行的數字微製造技術。

激光輔助轉移印花技術的未來改進仍然是一個(ge) 巨大機遇的領域。基於(yu) 提升的技術通常會(hui) 破壞壓印，這意味著界麵附著力不可逆，且壓印不可重複使用。同時，燒蝕犧牲層的殘餘(yu) 物可能汙染器件表麵。基於(yu) 激光加熱引起的可控局部變形的技術可以實現可逆粘附，從(cong) 而很好地解決(jue) 了上述限製。然而，需要小心控製印章表麵的高溫，以避免不必要的變形或損壞。此外，這些技術仍然依賴於(yu) 微圖案印章。圖案化印章的製造過程並不常見，並且在放大/縮小過程中可能非常複雜且成本高昂。激光輔助轉移印花技術的進一步發展應突破上述限製，以實現納米/大規模的可擴展性。為(wei) 了將油墨尺寸擴展到納米級，先進的激光投影係統可以使用微小的激光束尺寸。可以嚐試將並行激光係統和自動化平台結合起來，實現大規模、高產(chan) 量製造的高通量。

最後，基於(yu) 上述基於(yu) 激光的技術的發展，總結了柔性電子激光加工的總體(ti) 前景。利用激光誘導材料改性來增強柔性器件的性能可能是一個(ge) 很好的機會(hui) 。此外，在不同的工作條件下，激光輻照可能會(hui) 產(chan) 生不同的有趣現象，這反映在上述激光誘導的界麵現象中。進一步發現和利用不同的激光誘導現象進行技術發明是有希望的。

作為(wei) 必要的基礎，科學理解和技術進步都需要基礎研究，包括對實時激光-材料相互作用和負責這些激光誘導的修改和現象的基本力學的深入理解。最後但並非最不重要的一點是，由於(yu) 光學和計算機輔助設計（CAD）係統的技術進步，激光束的形狀和尺寸、掃描模式可以任意和數字化地修改。原始的基於(yu) 激光的技術有潛力通過將光束轉換為(wei) 幾種特定形狀，例如用於(yu) 大麵積掃描的線模式，或轉換為(wei) 用於(yu) 倍增原始生產(chan) 效率的多光束（並行操作模式），來極大地提高效率。通過數字化和並行現有的基於(yu) 激光的技術，許多用於(yu) 大規模生產(chan) 和大麵積製造柔性電子產(chan) 品的潛在顛覆性技術可能會(hui) 被開發出來。這些考慮表明，這一研究領域將保持活躍和動態，有望在不久的將來為(wei) 柔性電子製造提供更加通用、先進和高效的激光技術。

來源：Laser Transfer, Printing, and Assembly Techniques for Flexible Electronics，Advanced Electronic Materials, DOI: 10.1002/aelm.201800900

參考文獻：J. A. Rogers, T. Someya, Y. Huang, Science 2010, 327, 1603.；S. Choi, H.Lee, R. Ghaffari, T. Hyeon, D. H. Kim, Adv. Mater. 2016, 28, 4203.